面向軟件定義網絡的高性能計算網絡技術前瞻

王曉玲

摘 要：高性能計算網絡將會進一步促進我國下一代網絡技術和相關產業的快速發展，針對當前的問題和趨勢，基于SDN構建適用于高性能計算的按照業務進行調度網絡環境，通過相關網絡設備實現控制與轉發分離、邏輯集中控制和開放API，提高高性能計算的網絡管理效率和帶寬利用率，解決高性能計算領域網絡發展建設需求。因此，研究和開發基于SDN的高性能計算網絡系統，對于提升科學計算領域網絡效率，推進科學計算業務應用的深化發展，具有重要意義。

關鍵詞：SDN；高性能；計算網絡；軟件定義網絡

云計算、虛擬化網絡、物聯網、移動互聯網、大數據時代的出現，加快了網絡架構變革的腳步，傳統網絡架構在處理以大數據、智能分析、網絡虛擬化為代表的新業務、新應用時的能力日漸捉襟見肘。軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）作為一種新興的網絡架構，具備動態的、可管理的、性價比高、適應能力強等特點，非常適合處理高帶寬、動態性的應用。軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN），最初是由美國斯坦福大學clean slate研究組提出的一種新型網絡創新架構，其核心思想是通過將網絡設備控制面與數據面分離開來，從而實現了網絡流量的靈活控制，為核心網絡及應用的創新提供了良好的平臺。

分析近幾年SDN技術的發展情況，可以看出，國內外從學術界到商業界，都在十分積極的推動著SDN技術的發展。從技術發展的比較角度來看，國內在SDN技術方面已經從高校的試探性實驗研究發展到百度已經研發出幾塊成型的SDN產品，并在繼續做進一步的探索和嘗試；國外在SDN技術方面也已經從高校實驗室SDN概念的提出發展到各大運營商和各大公司積極制定各種SDN技術標準，甚至谷歌已經在單一的小型化網絡中成功應用了SDN技術。從這些發展比較中，我們有理由相信，SDN技術能夠得到進一步的發展。

SDN技術核心思想就是將網絡設備配置平面從嵌入式節點獨立出來到軟件平臺，由軟件驅動的中央控制節點自動化控制的網絡架構。采用SDN網絡架構可以靈活控制數據傳輸過程，降低網絡復雜度，減輕大數據傳輸過程中的管理工作等。通過構建SDN高性能計算網絡系統架構、研制SDN控制器和交換機設備原型機、真實環境應用示范與改進、解決方案優化升級等步驟，研制針對于高性能計算應用的業務網絡系統，滿足高性能計算的大數據和領域云高性能計算業務特色。主要從以下幾個方向上進行技術上的突破：基于ONF架構擴展的資源彈性調度高性能計算SDN網絡架構的設計；SDN下DPI/CFI/DFI相結合的多業務動態感知和檢測技術的開發；基于業務實時狀態、需求的資源最優分配算法和拓撲調整算法的研究；網絡級自恢復高可靠性設計；可自優化的智能綠色節能設計。

SDN將網絡控制與數據轉發相分離，把傳統網絡設備拆分為應用、網絡操作系統以及轉發設備的三層架構。

在理想情況下，三層架構通過如下方式協作：

1）轉發設備向網絡操作系統提供標準的應用接口，即南向接口；

2）網絡操作系統封裝管理控制能力（即北向接口）并向上層應用開放；

3）上層應用、網絡操作系統和轉發設備間通過標準的協議進行通信。

網絡操作系統掌握網絡的控制權，而轉發設備將由于功能越來越趨于同質化，導致其利潤越來越薄，網絡設備價值鏈的核心將開始分化。網絡交換芯片（尤其是流表處理器）和網絡操作系統將是一個核心價值所在。

當前IP網在服務質量保證、網絡可擴展性方面存在問題，而SDN控制面集中地特性決定了SDN在解決這些問題方面可以有所作為。

SDN在服務質量保證方面的幾個改進方向包括：

1）合理的SDN架構和組件分工，能滿足基于整網業務識別和資源彈性調度功能的擴展；

2）業務感知和檢測技術；

3）基于業務感知和檢測的資源彈性調度，保證業務體驗和資源利用率；

4）多網絡控制器協調控制；

5）SDN下整網統一控制的節能技術；

6）高性能數據轉發設備和網絡控制設備。

實現SDN設備軟硬件架構平臺搭建的基礎上，進一步搭建了一系列SDN相關的業務應用平臺，通過這些基于SDN的系統平臺的搭建，能夠實現以下主要功能：基于ONF架構擴展的資源彈性調度高性能計算SDN網絡架構；SDN下DPI/CFI/DFI相結合的多業務動態感知和檢測技術；整網和節點相結合的業務需求資源彈性調度技術；基于業務實時狀態、需求的資源最優分配算法和拓撲調整算法；分級SDN控制設備的分布處理和熱備份可靠技術；基于SDN業務數據流聚合、調度節能技術。

通過瞄準SDN網絡建設和應用中面臨的關鍵問題，致力于搭建研發高性能計算網絡技術及其應用的一系列基于SDN的相關平臺，研發具有自主知識產權的關鍵設備和軟件，為下一代網絡技術與產業發展提供有力的技術保障。

結語：完成對SDN研究的業務擴展與應用工作，通過在數據中心的SDN網絡業務系統的驗證與示范應用的試驗過程中，不斷積累技術和經驗，加強國際優勢資源的整合利用；以市場為導向，加強業務應用創新；建立長期產學研相結合的市場化合作機制，聯合研發關鍵技術和設備，加速科研成果轉化。提升下一代網絡的性能指標；在十三五期間辦成具有特色高性能計算網絡技術與應用創新基地，取得一批具有實用化或產業化網絡技術與應用成果，成為高性能計算網絡技術與產業發展和建設信息化社會的有力技術支撐，促進高性能計算網絡技術與產業健康、快速發展。

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